Massive MIMO提升LTE小區(qū)邊緣性能

湯偉良

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司清遠(yuǎn)分公司，清遠(yuǎn) 511500）

1 引言

借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，各種各樣的信息量在急劇增加，人們對(duì)移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的需求也在不斷增長(zhǎng)。隨著4G網(wǎng)絡(luò)的普及和推廣，4G用戶量和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)吞吐量迅速提升，特別是在熱點(diǎn)地區(qū)和小區(qū)邊緣地區(qū)，4G網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)容量，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)覆蓋等將面臨進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。

在4G系統(tǒng)小區(qū)中心，用戶離基站近，其無線信號(hào)強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量很高，用戶性能也好。但在4G系統(tǒng)小區(qū)邊緣，用戶離基站遠(yuǎn)，其無線信號(hào)的能量與傳播距離呈指數(shù)級(jí)快速下降，路徑損耗高，信道衰落快，無線信號(hào)弱。同時(shí)，相鄰小區(qū)在小區(qū)的交接處由于使用了相同的頻譜資源，則會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的小區(qū)間干擾。結(jié)果就是信號(hào)與干擾加噪聲比（SINR）降低從而導(dǎo)致小區(qū)邊緣用戶性能的惡化。

根據(jù)香農(nóng)定理C=B*log2(1+S/N)（C是信道支持的最大速度或者叫信道容量；B是信道的帶寬；S是平均信號(hào)功率；N是平均噪聲功率；S/N即信噪比），在帶寬一定的情況下，通過提高信噪比可以有效提高信道容量。

Massive MIMO作為未來5G時(shí)代的核心技術(shù)之一，通過使用大規(guī)模天線陣列實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用，可以滿足更多流數(shù)據(jù)的同時(shí)傳輸，更多的小區(qū)中信道條件好的用戶共享相同的時(shí)頻資源，系統(tǒng)容量和頻譜效率得到極大提高。同時(shí)，Massive MIMO通過使用大規(guī)模天線陣列實(shí)現(xiàn)波束賦形，同時(shí)從水平維度和垂直維度嚴(yán)格控制波束的寬度，有效的提高小區(qū)邊緣用戶的接收信噪比，從而有助于提高小區(qū)邊緣用戶的性能。

2 Massive MIMO和小區(qū)邊緣性能

與傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)相比，Massive MIMO可以給小區(qū)邊緣用戶帶來更高的波束賦形增益，從而能有效提升小區(qū)邊緣用戶的下行性能。Massive MIMO還可以給小區(qū)邊緣用戶帶來更高的上行接收分集增益，提高基站接收機(jī)性能和抗干擾能力，從而能有效提升小區(qū)邊緣用戶的上行性能。

2.1 Massive MIMO波束賦形增益與小區(qū)邊緣用戶下行性能

波束賦形是一種基于天線陣列的信號(hào)預(yù)處理技術(shù)，波束賦形通過調(diào)整天線陣列中每個(gè)陣元的加權(quán)系數(shù)產(chǎn)生具有指向性的波束，產(chǎn)生更強(qiáng)的信號(hào)增益來克服路損，從而能夠獲得明顯的陣列增益，達(dá)到提高接收信號(hào)強(qiáng)度的目的。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)有兩點(diǎn)：一是將發(fā)射能量匯集到用戶所在位置，使其不向其他方向擴(kuò)散；二是基站可以通過監(jiān)測(cè)用戶的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，使天線的最佳發(fā)射方向跟隨用戶移動(dòng)，保證終端在任何時(shí)候接收到的電磁波信號(hào)都處于有效疊加狀態(tài)。因此，波束賦形技術(shù)在改善邊緣吞吐量以及干擾抑止等方面都有很大的優(yōu)勢(shì)。

由于信道建模，天線陣列和基站實(shí)現(xiàn)的瓶頸，傳統(tǒng)的MIMO只能限制在固定下傾角的水平面上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

對(duì)于傳統(tǒng)的TD-LTE 8通道天線，一般一個(gè)天線由4個(gè)垂直的子陣列組成，每個(gè)垂直的子陣列有8個(gè)雙極化天線單元共用兩通道的信號(hào)，并通過固定或半動(dòng)態(tài)方式調(diào)整天線相位，即電子調(diào)整天線下傾角以用于網(wǎng)絡(luò)覆蓋。在這種情況下，相同的射頻信號(hào)以預(yù)定義的相位調(diào)整被饋送到天線的每個(gè)子陣列，且垂直波束被固定在整個(gè)帶寬內(nèi)。也就是說，動(dòng)態(tài)空間處理僅適用于水平面內(nèi)的獨(dú)立天線。

Massive MIMO通過使用大規(guī)模天線陣列，將當(dāng)前的水平維天線陣列擴(kuò)展為同時(shí)支持水平維和垂直維的天線陣列，從而可以在水平維度的基礎(chǔ)上，同時(shí)利用垂直維度的空域，將發(fā)射出去的信號(hào)形成更窄的波束，從而產(chǎn)生強(qiáng)方向性的輻射方向圖并將其主瓣指向特定終端，因此能量能夠更加準(zhǔn)確地集中指向特定的終端。

此時(shí)，更窄的波束可以顯著提高信號(hào)在傳播過程中的空間分辨率，有利于降低不同波束之間的干擾，從而帶來更高的波束賦形的增益，特別有助于提升小區(qū)邊緣用戶的性能，也能減少小區(qū)內(nèi)用戶之間的干擾和對(duì)相鄰小區(qū)的干擾。

2.2 Massive MIMO接收分集增益與小區(qū)邊緣用戶上行性能

接收分集是在接收端使用比發(fā)射端更多的天線，由于存在不同的傳輸路徑，接收端可以觀察到多個(gè)不同的衰落信號(hào)，在接收端使用適當(dāng)?shù)姆椒ǎ梢栽黾咏邮斩说男旁氡取?/p>

Massive MIMO通過使用大規(guī)模天線陣列，上行使用更多的接收天線，可提供更多上行接收信號(hào)樣本，進(jìn)行更精確的信道估計(jì)，提升基站接收機(jī)的性能和抗干擾能力，從而能有效提升小區(qū)邊緣用戶的上行性能。

3 Massive MIMO基站小區(qū)邊緣效果驗(yàn)證

2018年3 月，廣東移動(dòng)清遠(yuǎn)分公司在城區(qū)使用Massive MIMO基站替換原有的8天線基站的一個(gè)小區(qū)RRU設(shè)備，使用相同發(fā)射功率（40W），天線方位角等工程參數(shù)與原有天線保持一致，下傾角獨(dú)立優(yōu)化調(diào)整。從小區(qū)邊緣終端速率，小區(qū)邊緣網(wǎng)絡(luò)覆蓋和小區(qū)邊緣網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量等方面進(jìn)行對(duì)比測(cè)試和效果驗(yàn)證。該測(cè)試區(qū)域房屋密集，高樓較多，人流和車輛波動(dòng)性大，周圍信號(hào)復(fù)雜，干擾也較大。

3.1 小區(qū)邊緣終端速率測(cè)試

（1）小區(qū)邊緣下行速率對(duì)比測(cè)試：在相同小區(qū)邊緣測(cè)試區(qū)域?qū)蜺E的下行峰值數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并做對(duì)比分析，以此來衡量Massive MIMO基站對(duì)小區(qū)邊緣下行速率的影響。小區(qū)邊緣選點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)：RSRP＜=-98 dBm，SINR ＜=12 dB。

RSRP（dBm） SINR（dB） 下行速率（kb/s）8天線基站 -105.25 3.98 13172.29 Massive MIMO基站 -105.78 4.67 21083.83

測(cè)試結(jié)果小結(jié)：Massive MIMO小區(qū)邊緣的平均下行速率達(dá)到21083.83kb/s，相對(duì)于8天線基站小區(qū)高出7911.54kb/s，增益接近60.06%。

（2）小區(qū)邊緣上行速率對(duì)比測(cè)試：在相同小區(qū)邊緣測(cè)試區(qū)域?qū)蜺E的上行速率進(jìn)行采集并做對(duì)比分析，以此來衡量Massive MIMO基站對(duì)小區(qū)邊緣上行速率的影響。小區(qū)邊緣選點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)：RSRP ＜=-98 dBm，SINR ＜=12 dB。

RSRP（dBm） SINR（dB） 上行速率（kb/s）8天線基站 -104.92 2.14 1519.90 Massive MIMO基站 -106.34 4.85 2501.25

測(cè)試結(jié)果小結(jié)：Massive MIMO小區(qū)邊緣的平均上行速率達(dá)到2501.25kb/s，相對(duì)于8天線基站小區(qū)高出981.35kb/s，增益接近64.56%。

3.2 小區(qū)邊緣移動(dòng)測(cè)試

（1）小區(qū)邊緣移動(dòng)下行速率對(duì)比測(cè)試：在相同小區(qū)邊緣測(cè)試區(qū)域?qū)蜺E的移動(dòng)下行峰值數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并做對(duì)比分析，以此來衡量Massive MIMO基站對(duì)小區(qū)邊緣移動(dòng)下行速率的影響。由于該小區(qū)邊緣覆蓋區(qū)域的限制，適合連續(xù)移動(dòng)測(cè)試的范圍有限，小區(qū)邊緣選點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn) ：RSRP ＜=-87 dBm，SINR ＜=14 dB.平均結(jié)果如下 ：

RSRP（dBm） SINR（dB） 下行速率（kb/s）8天線基站 -97.35 2.13 10708.97 Massive MIMO基站 -94.47 4.96 13276.59

測(cè)試結(jié)果小結(jié)：Massive MIMO小區(qū)邊緣的平均移動(dòng)下行速率達(dá)到13276.59kb/s，相對(duì)于8天線基站小區(qū)高出2567.62kb/s，增益接近24%。

（2）小區(qū)邊緣移動(dòng)上行速率對(duì)比測(cè)試：在相同小區(qū)邊緣測(cè)試區(qū)域?qū)蜺E的移動(dòng)上行速率進(jìn)行采集并做對(duì)比分析，以此來衡量Massive MIMO基站對(duì)小區(qū)邊緣上行速率的影響。

由于該小區(qū)邊緣覆蓋區(qū)域的限制，適合連續(xù)移動(dòng)測(cè)試的范圍有限，小區(qū)邊緣選點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)：RSRP ＜=-87 dBm，SINR ＜=14 dB.平均結(jié)果如下：

RSRP（dBm） SINR（dB） 上行速率（kb/s）8天線基站 -95.24 7.67 2040.37 Massive MIMO基站 -89.13 12.53 2446.75

測(cè)試結(jié)果小結(jié)：Massive MIMO小區(qū)邊緣的平均移動(dòng)上行速率達(dá)到2446.75kb/s，相對(duì)于8天線基站小區(qū)高出406.38kb/s，增益接近20%。

3.3 小區(qū)邊緣覆蓋測(cè)試

在相同小區(qū)邊緣測(cè)試區(qū)域?qū)涡^(qū)覆蓋RSRP數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并做對(duì)比分析，以此來衡量Massive MIMO基站對(duì)小區(qū)邊緣區(qū)域覆蓋的影響。

測(cè)試結(jié)果小結(jié)：Massive MIMO基站開通后RSRP較開通之前平均提升了1.28 dB，小區(qū)邊緣網(wǎng)絡(luò)覆蓋有所提高。

3.4 小區(qū)邊緣網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量測(cè)試

在相同小區(qū)邊緣測(cè)試區(qū)域?qū)涡^(qū)覆蓋SINR數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并做對(duì)比分析，以此來衡量Massive MIMO基站對(duì)小區(qū)邊緣信號(hào)質(zhì)量的影響。

測(cè)試結(jié)果小結(jié)：Massive MIMO基站開通后SINR較開通之前平均提升了1.30dB，小區(qū)邊緣網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量有所提高。

4 結(jié)束語

通過本文對(duì)Massive MIMO的理論分析和實(shí)際測(cè)試結(jié)果分析可見，在4G網(wǎng)絡(luò)中采用Massive MIMO技術(shù)，可以顯著提高小區(qū)邊緣的性能，能有效解決4G網(wǎng)絡(luò)面臨的小區(qū)邊緣用戶的感知的挑戰(zhàn)。Massive MIMO技術(shù)的4G化應(yīng)用，也可以為4G網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)和未來5G網(wǎng)絡(luò)的部署奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。